Карл Саган - Мир, полный демонов: Наука — как свеча во тьме

Концепция эфира, в котором распространяются волны света и частицы материи, через 40 лет породила специальную теорию относительности Эйнштейна, E = mc 2, и привела к другим ценным открытиям. Эксперименты, приуготовившие теорию относительности, убедительно опровергли идею эфира — среды, в которой распространяются электромагнитные волны (об этом Эйнштейн писал в знаменитой статье, отрывок из которой я привожу в главе 2). Волны распространяются сами по себе. Переменное электрическое поле порождает магнитное поле, переменное магнитное поле порождает электрическое. Так и поддерживают друг друга — в пустоте.

Многих физиков отмена «светоносного» эфира повергла в панику. Им требовалась какая-то механическая модель, чтобы объяснить, приблизить к пониманию, рационализировать эту странную мысль — распространение световых волн в вакууме. Эфир служил подпоркой, помогая осваивать области, где привычный нам здравый смысл перестает действовать. Вот как пишет об этом физик Ричард Фейнман:

Ныне мы яснее понимаем, что важны сами уравнения, а не положенная в их основу модель. Мы вправе задавать один лишь вопрос: верны эти уравнения или нет. Ответ нам дают эксперименты, а уравнения Максвелла подтверждены бесчисленными экспериментами. Даже убрав леса, которые понадобились Максвеллу, чтобы выстроить это здание, мы убедимся, что дивная постройка вполне способна стоять сама по себе.

Но что же такое эти переменные магнитные и электрические поля, охватывающие все пространство? Что значат эти Е и В? Нам куда ближе представление о вещах, соприкасающихся, толкающихся, тянущих друг друга, чем о каких-то полях, которые будто по волшебству двигают предметы на расстоянии, и уж вовсе чужды обычному разумению математические абстракции. Фейнман, однако, напоминает: бытовое восприятие «солидных физических реалий» — берешь, скажем, кухонный нож в руку и держишь — с физической точки зрения ошибочно. Что мы подразумеваем под физическим контактом? Что на самом деле происходит, когда берешь в руки нож, толкаешь качели, давишь на водяной матрас, и по нему пробегают волны? Глубинное исследование показывает, что физического контакта в привычном смысле слова нет: электрические заряды в руке влияют на электрические заряды рукояти ножа, качелей, водяного матраса, и это влияние взаимно. Вопреки повседневному опыту и здравому смыслу даже тут речь идет исключительно о взаимодействии электрических полей. Напрямую ничто ни с чем не соприкасается.

Никто из ученых не пускается в свой нелегкий путь, одержимый страстью побороть здравый смысл и заменить его какими-нибудь математическими абстракциями, понятными лишь парочке теоретиков. Нет, ученые люди, как и все, начинают со стандартных, подсказанных здравым смыслом и удобных представлений. Вот только природа не желает подстраиваться под наше удобство. И как только мы перестаем требовать, чтобы природа вела себя как полагается, а вместо этого с открытым и непредвзятым разумом всмотримся в природу, выяснится, что наш «здравый смысл» тут неприменим. Почему? Потому что наши представления о природе — и унаследованные, и благоприобретенные — складывались в те миллионы лет, когда наши предки были собирателями и охотниками. Они могли положиться на здравый смысл, ибо жизнь собирателей и охотников никак не зависит от теории переменных электрических и магнитных полей. За незнание уравнений Максвелла эволюция наказаний не предусматривала. В наше время все обстоит по-другому.

Уравнения Максвелла показывают, что быстро меняющееся электрическое поле (большое Е) порождает электромагнитные волны. В 1888 г. немецкий физик Генрих Герц провел эксперимент и обнаружил новый вид излучения — радиоволны. Семь лет спустя кембриджским ученым удалось передать радиосигнал за километр. В 1901 г. итальянец Маркони уже общался с помощью радиоволн с другим берегом Атлантического океана.

Экономическими, культурными, политическими связями, которые пронизывают весь современный мир, от радиовышки к радиовышке, а также радиорелейными линиями и спутниками связи мы обязаны гениальному решению Максвелла: включить в уравнения для вакуума ток смещения. Отсюда же родом и телевидение, с его не всегда удачными наставлениями и развлечениями, и радар, сыгравший решающую роль в Битве за Британию [135] Битвой за Британию называется авиационное сражение между Германией и Великобританией, продолжавшееся с 9 июля по 30 октября 1940 г. и в конечном поражении нацистов (тот мальчик-ботан, не вписывавшийся в свою среду, дотянулся в будущее и спас потомков своих насмешливых одноклассников). Отсюда же — навигационная система самолетов, кораблей и ракет, радиоастрономия и поиски внеземного разума, всевозможные применения электричества, микроэлектроника.

Более того, разработанная Фарадеем и Максвеллом теория поля оказала огромное влияние на концепцию атомного ядра, на квантовую механику и представление о тонкой структуре материи. Объединив электричество, магнетизм и свет во взаимосвязанных математических уравнениях, Максвелл вдохновил физиков на дальнейшие поиски единства физического мира в целом. Отчасти эти усилия объединить все силы, в том числе гравитацию и ядерные взаимодействия, оказались успешными, отчасти еще только начинаются. Максвелла с полным правом можно именовать родоначальником физики новой эры.

Современные представления о безмолвном мире, где работают просчитанные Максвеллом вектора переменного электрического и магнитного поля, Ричард Фейнман подытоживает в следующих словах:

Попытаемся вообразить, как выглядят электрическое и магнитное поле в данный момент, в пространстве этого лекционного зала. Прежде всего, здесь действует постоянное магнитное поле, происходящее от потоков внутри Земли. Это постоянное магнитное поле Земли. Далее нерегулярные, почти статичные электрические поля, порождаемые трением людей о сидения, соприкосновением рукавов с подлокотниками кресел.

Другие магнитные поля возникают из-за колеблющихся токов в электропроводке. Эти поля изменяются с частотой 60 циклов в секунду синхронно с генератором на электростанции на плотине Гувера. Интереснее электрические и магнитные поля, меняющиеся с гораздо большей частотой. Например, пока луч света проходит от окна до пола и от стены к стене, на его пути возникают крошечные электрические и магнитные поля, движущиеся со скоростью 300 000 км/с. Существует также инфракрасное излучение — от теплых тел к холодной доске. И не будем забывать ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и радиоволны — все они проходят сквозь эту комнату.

Через помещение проходят электромагнитные волны, несущие музыку джаз-банда. Другие волны, модулируемые цепочкой импульсов, передают картины событий, которые происходят в других частях света, или демонстрируют, как воображаемая таблетка аспирина растворяется в воображаемом желудке. Чтобы доказать реальность этих волн, всего-то и требуется — включить электронное оборудование, которое превратит их в картины и звуки.